论文部分内容阅读
随着集成电路工艺的飞速发展,器件的特征尺寸在不断地减小,到2020年器件的特征尺寸将会下降到10nm,传统的集成电路工艺正面临着尺寸效应带来的挑战。浮栅存储器的隧穿层尺寸的减小使其电荷保持特性和耐受性受到了冲击,为此人们一方面对闪存技术进行改进,推出了基于分立电荷存储技术的新型纳米硅浮栅存储器,另一方面采用新的存储技术替代闪存技术,推出了新型的非易失性存储器,其中阻变存储器则由于具有单元面积小和读写速度快等优势成为了其中最具潜力的候选者。本文首先对我们小组在上海中芯国际0.13μm标准CMOS工艺线上制备的纳米硅量子点浮栅存储单管的存储特性和关键工艺结构参数之间的关系进行了深入的研究,在获得具有优良存储特性单管的基础上进行了8Kb NOR功能存储芯片的设计工作。同时开展了亚氧化硅SiOx薄膜的优化阻变特性的研究工作,通过后续工艺热处理技术改进了ITO/SiOx/p-Si/Al结构器件的阻变特性,并对其物理机制进行了细致的分析。具体内容如下：我们小组在中芯国际0.13μm标准CMOS工艺线上成功制备了栅长和栅宽分别为0.176μm和0.16μm的纳米硅量子点浮栅存储器单元和8Kb矩阵。通过对纳米硅浮栅存储器单管的优化存储特性与关键工艺结构的研究,获得了制备具有优良存储特性的纳米硅浮栅存储器单管的重要工艺参数,制备出的纳米硅量子点浮栅存储器单管具有较低的工作电压(7V)和较快的读写速度(us),擦写寿命高达107,并拥有较小的亚阈值摆幅(0.14V/decade)和截止电流(200fA),综合存储器特性达到了国际领先水平。基于此性能优秀的存储单元,我们小组与上海微系统所合作共同设计了容量为8Kb的NOR功能存储芯片,采用128根字线和64根位线组成的8Kb NOR型架构,对存储芯片进行单比特(bit)操作。为了消除8Kb存储单元阵列中的串扰影响,我们优化得到了各单元在擦写时的最佳工作电压。考虑到灵敏放大器对电流的要求,我们提出了各单元在读操作时的最佳工作电压参数,为8Kb的NOR功能存储芯片的外围电路设计提供了重要的参考。同时我们开展了SiOx薄膜优化阻变特性的探究,采用不同温度热退火处理的SiOx(x=1.3)薄膜作为ITO/SiOx/Si/Al结构的阻变层,发现：在电极尺寸相同的条件下,随着退火温度的增加,该结构的高低阻态比显著提高,最高可达109；在相同的退火条件下,随着电极尺寸的减小,器件的高低阻态比也变大。X射线光电子能谱(XPS)和电子顺磁共振能谱(EPR)的分析表明：不同退火温度下形成的不同价态硅悬挂键是形成低阻态下细丝通道的主要来源；高阻态下薄膜电阻等效为体电阻随电极面积的减小而增大。椭偏的测试结果表明：经过热退火处理的SiOx薄膜折射率的增大是导致高阻态下器件电阻增大的原因。